一种3YSZ纳米粉体及其制备方法与用途与流程

本发明属于材料科学领域，具体涉及一种3YSZ纳米粉体及其制备方法与用途。

背景技术：

Y₂O₃稳定的ZrO₂(YSZ)固体电解质，具有较高的氧离子导电性，良好的机械性能，优秀的耐氧化和耐腐蚀性以及不与电极材料反应等优点而成为制作高温固体燃料电池、压电陶瓷、氧传感器、铁电陶瓷等主要材料，而氧化钇稳定氧化锆粉体超细的晶粒粒度、均匀的颗粒以及合理的成分配比是获得高离子电导性能和良好机械强度YSZ固体电解质的关键。因此，纳米YSZ粉体的制备一直是纳米材料制备学科的热点。

而目前工业制备3YSZ(即3摩尔氧化钇稳定氧化锆)纳米粉体的方法主要是共沉淀法、水热合成法。采用共沉淀法制备3YSZ粉体时，沉淀物在洗涤、过滤、干燥时容易发生团聚，使得粉体粒度偏大，分散性差，而且洗涤氯离子的过程当中需要大量的水，成本高，易造成污染，能源的消耗和制备成本增加。传统固相机械混合法一般采用的是球磨技术，其研磨体氧化锆球的粒径较大，使得合成粉体颗粒较粗，且不能混合均匀，需要较长的球磨时间。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明首先提供了一种新型的3YSZ纳米粉体，包括以下组分：以氧化锆和氧化钇总质量为1000份计算，其中氧化锆为945份，氧化钇为55份。

优选地，本发明所述的3YSZ纳米粉体中，还包括分散剂。

优选地，本发明所述的3YSZ纳米粉体中，所述分散剂为聚丙烯酸铵、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、PEG2000和聚甲基丙烯酸；更优选地，本发明所述的3YSZ纳米粉体中，所述分散剂为聚甲基丙烯酸。

优选地，本发明所述的3YSZ纳米粉体中，所述3YSZ纳米粉体的粒径范围≤80nm；平均粒径小于50nm。

其次，本发明另一目的提供了上述新型的3YSZ纳米粉体的制备方法，包括以下步骤：

将氧化锆和氧化钇混合后加入去离子水及分散剂，调成浆料，搅拌球磨，然后进行砂磨、喷雾干燥后制得纳米级3YSZ粉体。

优选地，本发明所述的3YSZ纳米粉体的制备方法中，所述氧化锆和氧化钇的比例为，以总质量为1000份计算，其中氧化锆为945份，氧化钇为55份。

优选地，本发明所述的3YSZ纳米粉体的制备方法中，所述分散剂为聚丙烯酸铵、三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、PEG2000和聚甲基丙烯酸；更优选地所述分散剂为聚丙烯酸铵。

优选地，本发明所述的3YSZ纳米粉体的制备方法中，所述浆料中固体含量为30％-62.5％重量。

优选地，本发明所述的3YSZ纳米粉体的制备方法中，所述搅拌球磨的时间为1-5h。

优选地，本发明所述的3YSZ纳米粉体的制备方法中，所述3YSZ纳米粉体的粒径范围≤80nm；平均粒径小于50nm。

优选地，本发明所述的3YSZ纳米粉体的制备方法中，所述砂磨的时间为4-6小时，研磨体为粒径0.1-0.8mm的氧化锆珠，砂磨转速为800-1100r/min。

优选地，本发明所述的3YSZ纳米粉体的制备方法中，所述喷雾干燥方法中设备雾化频率为36-45Hz，进风温度300-350℃，出风温度90-100℃。

最后，本发明提供了上述新型3YSZ纳米粉体在制备高温固体燃料电池、压电陶瓷、氧传感器、铁电陶瓷中的应用。

本发明的新型3YSZ纳米粉体的制备方法及产品，至少有以下优点：

1)砂磨技术制备粉体的过程简单方便，周期短，重复性好；

2)新型3YSZ纳米粉体具有粒度均匀(图1所示)，为纳米级，粒径范围在80nm以内(图2所示)，平均粒径小于50nm，适合批量生产与工业化应用；

3)本发明所述制备方法，使用去离子水为研磨介质，很好地解决了传统的粉体制备工艺中所遇到洗涤氯离子时需要大量的去离子水，成本高，环境污染大的问题。

附图说明

图1本发明制备的粉体外观图；

图2实施例4所制备的3YSZ纳米粉体场发射电子扫描显微镜图；

图3实施例5所制备的3YSZ纳米粉体固相合成产品的XRD图。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明，应理解下述实施例仅为示例性说明，并不用于限制或解释权利要求的保护范围。

实施例1

(1)配料：按照化学计量比精确称取氧化锆和氧化钇原料，以总质量1000份计算，其中氧化锆为945份，氧化钇为55份；

(2)搅拌球磨：将氧化锆和氧化钇置于搅拌球磨机中，加入去离子水及0.30％重量分散剂聚丙烯酸铵，调成固体含量为30％重量的浆料，搅拌球磨1h，研磨体为粒径大小3mm的氧化锆球；

(3)砂磨：将搅拌球磨后的浆料导入砂磨机内，在800r/min下砂磨6h，研磨体为粒径大小0.7-0.8mm的氧化锆珠，调节进料速率，使浆料每5min循环砂磨1次；

(4)干燥：将砂磨好的浆料导入喷雾干燥设备进行喷雾烘干，即得到最终粉体，平均粒径小于80nm，其中喷雾干燥设备雾化频率为36Hz，进风温度300℃，出风温度90℃。

实施例2

(1)配料：按照化学计量比精确称取氧化锆和氧化钇原料，以总质量1000份计算，其中氧化锆为945份，氧化钇为55份；

(2)搅拌球磨：将氧化锆和氧化钇置于搅拌球磨机中，加入去离子水及0.40％重量分散剂三聚磷酸钠，调成固体含量为55％重量的浆料，搅拌球磨2h，研磨体为粒径大小3mm的氧化锆球；

(3)砂磨：将搅拌球磨后的浆料导入砂磨机内，在900r/min下砂磨5h，研磨体为粒径大小0.5-0.6mm的氧化锆珠，调节进料速率，使浆料每6min循环砂磨1次；

(4)干燥：将砂磨好的浆料导入喷雾干燥设备进行喷雾烘干，即得到最终粉体，平均粒径小于70nm，其中喷雾干燥设备雾化频率为38Hz，进风温度320℃，出风温度95℃。

实施例3

(1)配料：按照化学计量比精确称取氧化锆和氧化钇原料，以总质量1000份计算，其中氧化锆为945份，氧化钇为55份；

(2)搅拌球磨：将氧化锆和氧化钇置于搅拌球磨机中，加入去离子水及0.45％重量分散剂PEG2000，调成固体含量为62.5％重量的浆料，搅拌球磨3h，研磨体为粒径大小3mm的氧化锆球；

(3)砂磨：将搅拌球磨后的浆料导入砂磨机内，在950r/min下砂磨4h，研磨体为粒径大小0.3-0.4mm的氧化锆珠，调节进料速率，使浆料每7min循环砂磨1次；

(4)干燥：将砂磨好的浆料导入喷雾干燥设备进行喷雾烘干，即得到最终粉体，平均粒径小于60nm，其中喷雾干燥设备雾化频率为40Hz，进风温度330℃，出风温度95℃。

实施例4

(1)配料：按照化学计量比精确称取氧化锆和氧化钇原料，以总质量1000份计算，其中氧化锆为945份，氧化钇为55份；

(2)搅拌球磨：将氧化锆和氧化钇置于搅拌球磨机中，加入去离子水及0.40％重量分散剂聚甲基丙烯酸，调成固体含量为55％重量的浆料，搅拌球磨4h，研磨体为粒径大小3mm的氧化锆球；

(3)砂磨：将搅拌球磨后的浆料导入砂磨机内，在1000r/min下砂磨5h，研磨体为粒径大小0.1-0.2mm的氧化锆珠，调节进料速率，使浆料每8min循环砂磨1次；

(4)干燥：将砂磨好的浆料导入喷雾干燥设备进行喷雾烘干，即得到最终粉体，平均粒径小于50nm，其中喷雾干燥设备雾化频率为42Hz，进风温度340℃，出风温度95℃。

实施例5

(1)配料：按照化学计量比精确称取氧化锆和氧化钇原料，以总质量1000份计算，其中氧化锆为945份，氧化钇为55份；

(2)搅拌球磨：将氧化锆和氧化钇置于搅拌球磨机中，加入去离子水及0.45％重量分散剂六偏磷酸钠，调成固体量为62.5％重量的浆料，搅拌球磨5h，研磨体为粒径大小3mm的氧化锆球；

(3)砂磨：将搅拌球磨后的浆料导入砂磨机内，在1100r/min下砂磨4h，研磨体为粒径大小0.1-0.2mm的氧化锆珠，调节进料速率，使浆料每10min循环砂磨1次；

(4)干燥：将砂磨好的浆料导入喷雾干燥设备进行喷雾烘干，即得到最终粉体，平均粒径小于40nm，其中喷雾干燥设备雾化频率为45Hz，进风温度350℃，出风温度100℃。

通过XRD图可以看出：本发明的实施例中砂磨合成方法可以得到单一的四方相多晶陶瓷。该方法提高陶瓷的强度及硬度等机械性能和热力学稳定性的提高有决定性的作用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。